Cellulose er et komplekst polysaccharid sammensat af mange glukoseenheder forbundet med ß-1,4-glycosidiske bindinger. Det er hovedkomponenten i plantecellevægge og giver plantecellevægge stærk strukturel støtte og sejhed. På grund af den lange cellulose -molekylære kæde og høj krystallinitet har den stærk stabilitet og uopløselighed.
(1) Egenskaber ved cellulose og vanskeligheder med at opløse
Cellulose har følgende egenskaber, der gør det vanskeligt at opløse:
Høj krystallinitet: Cellulosemolekylkæderne danner en stram gitterstruktur gennem brintbindinger og van der Waals -kræfter.
Høj grad af polymerisation: graden af polymerisation (dvs. længden af molekylkæden) af cellulose er høj, normalt fra hundreder til tusinder af glukoseenheder, hvilket øger molekylets stabilitet.
Hydrogenbindingsnetværk: Hydrogenbindinger er vidt til stede mellem og inden for cellulosemolekylkæder, hvilket gør det vanskeligt at blive ødelagt og opløst af generelle opløsningsmidler.
(2) Reagenser, der opløser cellulose
I øjeblikket inkluderer de kendte reagenser, der effektivt kan opløse cellulose hovedsageligt følgende kategorier:
1. ioniske væsker
Ioniske væsker er væsker sammensat af organiske kationer og organiske eller uorganiske anioner, normalt med lav volatilitet, høj termisk stabilitet og høj justerbarhed. Nogle ioniske væsker kan opløse cellulose, og hovedmekanismen er at bryde brintbindingerne mellem cellulosemolekylkæder. Almindelige ioniske væsker, der opløser cellulose, inkluderer:
1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid ([BMIM] CL): Denne ioniske væske opløses cellulose ved at interagere med brintbindinger i cellulose gennem brintbindingsacceptorer.
1-ethyl-3-methylimidazoliumacetat ([EMIM] [AC]): Denne ioniske væske kan opløse høje koncentrationer af cellulose under relativt milde forhold.
2. aminoxidantopløsning
Aminoxidantopløsning, såsom en blandet opløsning af diethylamin (DEA) og kobberchlorid, kaldes [Cu (II) -ammoniumopløsning], som er et stærkt opløsningsmiddelsystem, der kan opløse cellulose. Den ødelægger krystalstrukturen af cellulose gennem oxidation og hydrogenbinding, hvilket gør cellulosemolekylkæden blødere og mere opløselig.
3. lithiumchlorid-dimethylacetamid (LICL-DMAC) system
LiCl-DMAC (lithiumchlorid-dimethylacetamid) -systemet er et af de klassiske metoder til opløsning af cellulose. LICL kan danne en konkurrence om hydrogenbindinger og derved ødelægge hydrogenbindingsnetværket mellem cellulosemolekyler, mens DMAC som opløsningsmiddel kan interagere godt med cellulosemolekylkæden.
4. saltsyre/zinkchloridopløsning
Den saltsyre/zinkchloridopløsning er et tidligt opdaget reagens, der kan opløse cellulose. Det kan opløse cellulose ved at danne en koordinationseffekt mellem zinkchlorid og cellulosemolekylkæder og saltsyre, der ødelægger hydrogenbindingerne mellem cellulosemolekyler. Imidlertid er denne opløsning meget ætsende for udstyr og er begrænset i praktiske anvendelser.
5. Fibrinolytiske enzymer
Fibrinolytiske enzymer (såsom cellulaser) opløser cellulose ved at katalysere nedbrydningen af cellulose til mindre oligosaccharider og monosaccharider. Denne metode har en bred vifte af applikationer inden for bionedbrydning og biomasse -konvertering, skønt dens opløsningsproces ikke er fuldstændig kemisk opløsning, men opnås gennem biokatalyse.
(3) Mekanisme til celluloseopløsning
Forskellige reagenser har forskellige mekanismer til opløsning af cellulose, men generelt kan de tilskrives to hovedmekanismer:
Destruktion af hydrogenbindinger: Ødelægning af hydrogenbindingerne mellem cellulosemolekylkæder gennem konkurrencedygtige hydrogenbindingsdannelse eller ionisk interaktion, hvilket gør det opløseligt.
Molekylær kædeafslapning: Forøgelse af blødheden af cellulosemolekylære kæder og reduktion af krystalliniteten af molekylkæder gennem fysiske eller kemiske midler, så de kan opløses i opløsningsmidler.
(4) Praktiske anvendelser af celluloseopløsning
Celluloseopløsning har vigtige anvendelser på mange felter:
Fremstilling af cellulosederivater: Efter opløsning af cellulose kan det yderligere kemisk modificeres til at fremstille celluloseethere, celluloseestere og andre derivater, der er vidt brugt i mad, medicin, belægninger og andre felter.
Cellulosebaserede materialer: Brug af opløste cellulose, cellulose-nanofibre, cellulosemembraner og andre materialer kan fremstilles. Disse materialer har gode mekaniske egenskaber og biokompatibilitet.
Biomasseenergi: Ved at opløse og nedbryde cellulose kan den omdannes til fermenterbare sukker til produktion af biobrændstoffer såsom bioethanol, hvilket hjælper med at opnå udvikling og anvendelse af vedvarende energi.
Celluloseopløsning er en kompleks proces, der involverer flere kemiske og fysiske mekanismer. Ioniske væsker, aminosoxidantopløsninger, LICL-DMAC-systemer, saltsyre/zinkchloridopløsninger og cellolytiske enzymer er i øjeblikket kendt for at være effektive midler til opløsning af cellulose. Hver agent har sin egen unikke opløsningsmekanisme og applikationsfelt. Med den dybdegående undersøgelse af celluloseopløsningsmekanismen antages det, at der vil blive udviklet mere effektive og miljøvenlige opløsningsmetoder, hvilket giver flere muligheder for anvendelse og udvikling af cellulose.
Posttid: Jul-09-2024